第六章 工业化学反应过程及反应器

第六章工业化学反应过程及反应器

重点掌握

1、化学反应速率的定义和各种表示方法。

2、反应速率方程和影

响反应速率的主要因素。3、复合反应的基本形式和反应进程的描述方法。4、反应速率方程的积分形式，包括恒容和变容过程。

5、多相催化作用原理、理想吸附等温式和反应动力学方程的推导。

6、动力学参数的确定和建立速率方程的一般步骤。

深入理解：

1、反应进度的意义。

2、反应网络的概念和应用背景。

3、真实

吸附和吸附等温式的联系与区别。4、动力学参数的确定和建立速率方程的一般步骤。5、动力学参数的确定和建立速率方程的一般步骤。

1、釜式反应器

重点掌握：

∙等温间歇釜式反应器的计算（单一反应、平行与连串反应）。

∙连续釜式反应器的计算。

∙空时和空速的概念及其在反应器设计计算中的应用。

∙连续釜式反应器的串联和并联。

∙釜式反应器中平行与连串反应选择性的分析，连接和加料方式

的选择。

∙连续釜式反应器的热量衡算式的建立与应用。

∙深入理解：

∙变温间歇釜式反应器的计算。

广泛了解：串联釜式反应器最佳体积的求取方法。

连续釜式反应器的多定态分析与计算。

产生多定态点的原因，着火点与熄火点的概念。

2、管式反应器

重点掌握：

∙等温管式反应器设计方程的推导与应用。

∙管式和釜式反应器的对比。

∙循环反应器的计算与分析。

∙变温管式反应器的分析与计算，包括：热量衡算方程的建立、绝热温升和非绝热变温管式反应器的计算等。

深入理解：

∙活塞流和全混流模型的基本假设与含义，返混的基本概念。广泛了解：

∙拟均相的含义和模型假定。

一、绪论

重点掌握：

化学反应转化率、选择性和收率的概念和应用

化学反应工程要解决的主要问题

深入理解：化学反应器的三种操作方式和特点。反应器设计的基本方程。

广泛了解：化学加工过程的普遍特征。各种化学和石油加工流程、常见设备和场区概貌。化学反应器的主要类型、结构和工作原理。工业反应器的放大方法。

无论是化学工业还是冶金、石油炼制和能源加工等工业过程，均采用化学方法将原料加工成为有用的产品。生产过程包括如下三个组成部分：

图1.1 典型的化学加工过程

第①和③两部分属于单元操作的研究范围；而②部分是化学反应工程的研究对象，是生产过程的核心。

第一节化学反应工程

一、化学反应工程的研究对象

化学反应工程是化学工程学科的一个重要分支，主要包括两个方面的内容，即反应动力学和反应器设计分析。

反应动力学--研究化学反应进行的机理和速率，以获得工业反应器设计与操作所需的动力学知识和信息，如反应模式、速率方程及反应活化能等

其中速率方程可表示为：

r=f（T、、P）（对于一定的反应物系）而言--随时间、空间变化

其中，r为反应系统中某一组分的反应速率，代表浓度的矢量，P为系统的总压。

反应器设计分析--研究反应器内上述因素的变化规律，找出最优工况和适宜的反应器型式和尺寸。

注意：化学反应是研究反应本身的规律，与反应器内各局部的状况有关，而反应器总体的性态。所以可以说反应动力学从点上着眼，而反应器的设计与分析则从面上（体上）着手。

二、化学反应的分类（反应工程学科）

无论是自然界还是实际生产过程中，存在各种各样的化学反应，通常为了便于研究和应用，将化学反应进行分类。下表中给出了常见的化学反应分类、方法和种类，一些可能同时属于两个或者更多的反应种类。

例如：为一气固催化反应

三、反应过程的举例

一般来说反应过程包括: 物理现象--传递现象(热量、动量和能量传递过程)

化学现象--化学反应

概括为"三传一反"。例如：对于反应过程

实际的反应过程可能包括：

反应物、产物的扩散过程（内外）+表面反应过程

无论对于放热过程，还是吸热过程，催化剂与反应物气体存在温差

就整个反应器而言，如反应器内的浓度和温度随位置变化，需将化学反应与传递现象综合起来考虑。

四、化学反应工程作用

对于化学产品和加工过程的开发、反应器的设计放大起着重要的作用。运用化学反应工程知识可以：

提高反应器的放大倍数，减少试验和开发周期

对现有反应装置操作工况进行优化，提高生产效率

开发环境友好的绿色生产路线和工艺

第二节转化率、收率和选择性

一、反应进度

对于反应：

（例如：

）

转化量为：

从而有：

或者

二、转化率 X--针对反应物而言

定义：

注意：

如果反应物不只是一种，针对不同反应物计算出来为X是不一样的

关键组分（着眼组分）为不过量、贵重的组分（相对而言）

针对关键组分计算，可使X最大到100%

计算基准：起始状态选择问题（分母部分的计量）

使用的原则：对于连续反应器，进口处的状态

间歇反应器，开始反应时的状态

串联使用的反应器，进入第一个反应器的原料为准这样有利于计算和比较

单程转化率和全程转化率的区别

如图1.2所示的甲醇合成流程简图，生产中采用循环操作，一部分未能转化的原料重新返回合成塔。由于存在未完全转化反应物的循环，在计算全程转化率时，计算基准为新鲜原料进入反应系统到离开所达到的转化率。而单程转化率是一次性从反应器进入到离开所达到的转化率。两者相比较，全程转化率必定大于单程转化率。